长条形建(构)筑物保护煤柱留设及应用实践

刘 贵

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

长条形建(构)筑物保护煤柱留设及应用实践

刘 贵1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

根据开采沉陷规律，分析了利用移动角留设建(构)筑物保护煤柱的保护标准，针对长条形建(构)筑物的特殊性，分析了利用移动角留设长条形建(构)筑物保护煤柱存在的问题，由于该类型建(构)筑物长边距离较窄，地表叠加变形，使其不能有效保护建(构)筑物。提出利用地表移动与变形预计法进行长条形建(构)筑物保护煤柱的留设，既能有效保护建(构)筑物，又能避免留设煤柱过宽而减少资源采出率。

保护煤柱；移动角；变形预计

长条形建(构)筑物即狭而长，两侧近于平行的建(构)筑物，宽度相对较窄，如重要的河堤、库(河)坝、船闸、泄洪闸、高速公路、机场跑道等，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[1]有关规定，以上建(构)筑物均须在矿井、水平、采区设计时划定保护煤柱。一般确定建筑物保护煤柱的允许地表变形值采用一组临界变形值，即倾斜变形i=3mm/m，水平变形ε=2mm/m，曲率变形K= 0.2×10-3/m，也即以移动角来留设保护煤柱。

该组临界变形值是参考砖混结构建筑物Ⅰ级损坏地表变形值的上限确定的，一般情况下，此临界变形值是使建筑物不产生危险变形的允许地表变形值，建筑物将产生轻微或极轻微损坏，不保证建筑物一点不受破坏。根据煤矿开采地表移动与变形规律可知，每个独立的煤柱在平面内有两个边界，煤柱上方的地表变形有可能产生叠加，使总的地表变形等于煤柱两侧开采引起的变形叠加值[2-3]。建(构)筑物保护煤柱亦是如此，如果保护对象相对两边距离较近，如长条形建(构)筑物，采用移动角留设保护煤柱后，煤柱外区域都开采后，很可能在保护对象范围内形成叠加变形，从而使变形大于允许的临界变形值。

因此，由于长条形建(构)筑物的特殊性，可根据煤矿开采地表移动规律分析，利用地表移动与变形预计法留设保护煤柱[4-6]。地表移动与变形预计法留设保护煤柱是根据保护对象的实际抗变形能力确定的允许变形值，与通过地表移动与变形预计保护对象所处位置的变形值进行对比分析来确定开采边界，从而确定保护煤柱范围[7]。

1 概况

某煤矿主含煤地层为石炭～二叠系的山西组，山西组为过渡相及陆相沉积组成的含煤地层，井田内山西组地层平均厚度约91.08m，含2～3层煤。其中7号煤层沉积稳定，为井田内的主要可采煤层，平均纯煤厚5.27m。煤岩倾角4～24°，平均14°，地面标高为+32.07～+34.49m，井下标高为-600.0m～-1000.0m。

在该煤矿某采区地面有一大坝，是一个具有蓄水灌溉、防洪排涝、工业供水等综合利用的大型水利枢纽工程，为保护其安全，需留设保护煤柱。

2 移动角法留设保护煤柱

2.1 保护煤柱留设

根据该矿覆岩性质，按中硬覆岩选取该矿走向移动角δ=75°，上山移动角γ=75°，下山移动角β=δ-0.7α(α为煤层倾角)，松散层移动角φ=40°。采用垂线法留设大坝保护煤柱。根据大坝的重要性，决定保护等级参照Ⅰ级标准进行煤柱留设，其围护带宽度取20m，松散层厚度按大坝附近最厚78m计算。留设的大坝保护煤柱范围如图1所示，单侧煤柱宽度范围为350～440m。

图1 大坝保护煤柱范围

2.2 地表移动与变形预计法验证

根据该煤矿地质采矿条件及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关内容[8]，选取该矿主采煤层的地表移动与变形计算参数，见表1，其中H为采深。

表1 计算参数

根据选取的地表移动计算参数，利用地表移动计算软件进行地表沉陷计算。在大坝保护煤柱范围外的煤层开采后，大坝范围内地表最大变形值见表2，地表水平变形等值线图见图2，单位为mm/m。

表2 地表移动与变形对大坝的影响最大值

图2 大坝保护煤柱范围外开采地表水平变形等值线

由表2可知，倾斜变形满足临界允许变形值(3mm/m)的要求，但最大水平变形超过了允许变形值(2mm/m)，不能保证保护对象的安全使用，可能会造成严重后果，所以需采用地表移动与变形预计法对大坝保护煤柱重新留设。

3 地表移动与变形预计法留设保护煤柱

根据第一次计算的结果，利用地表移动与变形规律对保护煤柱边界进行调整，在原来移动角留设保护煤柱范围的基础上往外移动40～50m，对调整后的大坝保护煤柱范围外煤层开采进行预计。预计的大坝范围内地表最大变形值见表3，地表水平变形等值线图见图3，单位为mm/m。

表3 调整后地表移动与变形对大坝的影响最大值

图3 调整后大坝保护煤柱范围外开采地表水平变形等值线

由表3可知，地表移动与变形均较大，如不留设保护煤柱，大坝将受到破坏性影响；大坝范围内最大水平变形为略小于临界允许值2.0mm/m，满足设计要求。故应选用图3中大坝的保护煤柱范围，单侧煤柱宽度范围为390～500m。

4 结论

从建(筑)物保护煤柱留设原理出发，根据煤矿开采地表沉陷规律，分析了长条形建(构)筑物留设煤柱容易忽略的特殊性，由于其长边距离较窄，仍以移动角留设保护煤柱，由于开采后在建(构)筑物地表形成叠加影响，会使其所受最大变形超过允许临界变形值，达不到有效保护建(构)筑物的目的。

针对长条形建(构)筑物的特殊性，提出根据地表移动与变形预计法进行保护煤柱的留设，在确定了保护对象实际所能承受的变形能力后，通过变形预计计算建(构)筑物所处位置的变形值，对比分析确定开采边界，从而确定保护煤柱范围。

[1]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2]煤炭科学研究总院北京开采所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1983.

[3]杜计平，汪理全.煤炭特殊开采方法[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]支光辉，郑 彬.我国保护煤柱留设的方法及发展趋势[J].煤炭工程，2009，41(6)：9-10.

[5]刘 贵，徐乃忠，邹友平.全采区与条采区隔离煤柱留设宽度研究[J].中国煤炭，2011，37(1)：49-52.

[6]刘 贵，张华兴，徐乃忠.深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性[J].煤炭学报，2008，33(10)：1086-1091.

[7]刘继树，吴永生.保护煤柱留设的变形预计法[J].煤矿开采，2001，6(2)：50-51.

[8]詹凤平.长壁全垮法开采和限厚条带开采对生态环境影响比较分析[J].煤矿开采，2013，13(3)：89-91，80.

[责任编辑：徐乃忠]

ProtectiveCoal-pillarDesignandPracticeofRectangle-shapeConstruction

LIU Gui1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

On the basis of mining subsidence rule, the problem of applying movement angle to designing coal-pillar for rectangle building was analyzed.Long side of this kind of building is shallow, superposed surface deformation was unfavorable for building protection.Applying surface movement and deformation prediction to designing coal-pillar for rectangle-shape building was put forward, which could effectively protect surface building and also avoid reducing resource recovery because of wide coal-pillar design.

protective coal-pillar; movement angle; deformation prediction

2014-02-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.028

中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目(2013QN001)

刘 贵(1980-)，男，安徽蒙城人，助理研究员，主要从事“三下”采煤及相关研究工作。

刘 贵.长条形建(构)筑物保护煤柱留设及应用实践[J].煤矿开采，2014，19(4)：95-96，99.

TD822.3

A

1006-6225(2014)04-0095-02